CRISPR-Combo versnelt kweek van lastige gewassen als citrus en aardbei

Wetenschappers gebruiken al jaren CRISPR om DNA van planten aan te passen, maar een aangepast gen in een paar cellen is nog geen nieuwe plant. Voor veel meerjarige gewassen - denk aan citrus, aardbei, populier en aardappel - is die stap van cel naar volwassen plant extreem lastig. Bij sommige soorten lukt het amper.

Het knelpunt na het knippen

Om een plant te laten regenereren uit bewerkte cellen, moeten onderzoekers de cellen aanzetten tot celdeling en celdifferentiatie: eerst wortels, dan scheuten, en uiteindelijk een complete plant. Dat proces wordt normaal gestuurd door plantenhormonen die in het lab worden toegediend, een aanpak die traag en onbetrouwbaar is. Vooral bij meerjarige gewassen, die van nature al jaren nodig hebben voor één kweekcyclus, is dit een groot obstakel voor de ontwikkeling van nieuwe, verbeterde rassen.

Onderzoekers van Texas A&M AgriLife Research, de University of Maryland en het Amerikaanse ministerie van Landbouw (USDA) presenteren in Nature Communications een oplossing: CRISPR-Combo. Het systeem knipt niet alleen het gen dat onderzoekers willen veranderen, maar activeert tegelijkertijd de eigen 'morfogene' genen van de plant. Dat zijn genen die celdeling en de ontwikkeling van weefsel naar wortel of scheut aansturen, vergelijkbaar met het meristeem dat in levende planten voor groei zorgt. In plaats van extra kopieën van groeigenen in te bouwen, zet CRISPR-Combo simpelweg de bestaande versies in het genoom harder aan.

Tientallen genen getest per gewas

Om te bepalen welke genen de moeite waard zijn, gebruikte het team eerst een snel screeningssysteem met 'harige wortels': stekjes waarbij extra wortelgroei wordt opgewekt zonder dat er een volledige plant hoeft te regenereren. Bij aardappel screenden de onderzoekers zeventien kandidaat-genen en vonden ze vier genen die de wortelgroei verbeterden. Drie daarvan verhoogden ook de regeneratie van scheuten, tot een slagingspercentage van 45 tot 70 procent, tegenover 30 tot 35 procent bij onbewerkte controleplanten.

Citrus staat bekend als bijzonder moeilijk te bewerken en te regenereren in het lab. Van de tien geteste genen zorgden er vijf voor duidelijk meer wortelgroei. Onder laboratoriumcondities verhoogden al deze vijf genen de regeneratie van scheuten tot 80 procent of meer, tegenover minder dan 60 procent bij de controlegroep.

Maand tijdwinst bij aardbei en populier

Bij wilde aardbei en populier gingen de onderzoekers nog een stap verder door twee morfogene genen tegelijk te activeren. Bij aardbei verkortte die combinatie de tijd die nodig is om een volledig geregenereerde, gen-bewerkte plant te krijgen met meer dan een maand vergeleken met de standaardmethode.

Bij populier was het effect nog groter: scheuten regenereerden binnen een maand, en dat zonder dat er externe plantenhormonen aan de weefselkweek hoefden te worden toegevoegd - normaal een vast onderdeel van dit soort proeven. De populierenlijnen met beide genen actief hadden bovendien het hoogste aandeel bewerkte cellen en groeiden in de kas uit tot hogere planten met meer biomassa, zonder zichtbare afwijkingen.

De onderzoekers denken dat de aanpak kan worden aangepast om ook bij andere commercieel belangrijke gewassen die slecht reageren op gangbare regeneratiemethoden, te zoeken naar bruikbare morfogene genen. Dat zou de ontwikkeling van nieuwe, beter bestande rassen van moeilijk kweekbare gewassen aanzienlijk kunnen versnellen.